Einprotonig
Ethansäure CH₃COOH besitzt zwar vier H-Atome, ist in den üblichen wässrigen Säure-Base-Reaktionen aber einprotonig: Das H der Carboxylgruppe wird abgegeben.
Chemie · Verstehen und üben
Mehrprotonige Säuren
Verfolge die stufenweise Protonenabgabe an Strukturformeln und lerne, pKₛ-Werte, Teilchenverteilung und Laugenverbrauch zu unterscheiden.
H₃PO₄ ⇌ H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ ⇌ PO₄³⁻
Protolysefolge · je Stufe eine Protonenabgabe
Mehrprotonig heißt: mehrere Protonen abgeben können
Eine mehrprotonige Säure kann pro Molekül mehr als ein Proton abgeben. Bei Phosphorsäure H₃PO₄ sind es drei. Die Struktur zeigt drei O–H-Gruppen: Ihre H-Atome können schrittweise als Protonen auf Wasser oder eine andere Base übertragen werden.
Zwei- oder dreiprotonig
Schwefelsäure H₂SO₄ und Kohlensäure H₂CO₃ sind zweiprotonig; Phosphorsäure H₃PO₄ ist dreiprotonig.
Die Zahl aller H-Atome einer Summenformel ist nicht automatisch die Zahl abspaltbarer Protonen. Entscheidend sind Struktur und Reaktionsbedingungen.
Phosphorsäure gibt ihre Protonen in drei Stufen ab
H₃PO₄ + H₂O ⇌ H₂PO₄⁻ + H₃O⁺ · pKₛ₁ ≈ 2,15
H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺ · pKₛ₂ ≈ 7,20
HPO₄²⁻ + H₂O ⇌ PO₄³⁻ + H₃O⁺ · pKₛ₃ ≈ 12,35
Jede Stufe hat ihre eigene Säurekonstante. Hier gilt Kₛ₁ > Kₛ₂ > Kₛ₃ und entsprechend pKₛ₁ < pKₛ₂ < pKₛ₃. Ein weiteres positiv geladenes Proton lässt sich aus einem bereits negativer geladenen Teilchen schwerer entfernen.
Bei jeder Abgabe bleibt das Bindungselektronenpaar am Säurerest. Dessen Ladung wird um eins negativer. Alle drei Gleichgewichte bestehen gleichzeitig; die Stufenschreibweise bedeutet nicht, dass im Wasser erst alle Moleküle Stufe 1 durchlaufen müssten.
Die pKₛ-Werte sind gerundete Richtwerte für 25 °C. Die Strukturzeichnungen zeigen vereinfachte Lewis-Grenzstrukturen, keine räumliche Geometrie oder lokalisierte Ladungsverteilung.
Struktur-Werkstatt: OH-Gruppen und Ladungen verfolgen
Wähle eine Form des Phosphatsystems. Vergleiche die Zahl gebundener H-Atome und die Ionenladung.
Noch keine Protonenabgabe dargestellt.
0 Protonen abgegeben · 3 OH-Gruppen · Gesamtladung 0
Die Auswahl zeigt die Struktur einer einzelnen Teilchenart. Welche Anteile in einer Lösung vorliegen, bestimmt der pH im folgenden Modell.
Welche Form überwiegt bei welchem pH?
Für zwei benachbarte Formen gilt im Konzentrationsmodell: Wenn pH = pKₛ der zugehörigen Stufe, liegen diese beiden Formen gleich konzentriert vor. Zwischen pKₛ₁ und pKₛ₂ überwiegt meist H₂PO₄⁻, zwischen pKₛ₂ und pKₛ₃ meist HPO₄²⁻.
Der pH wird von außen vorgegeben, nicht aus einer bestimmten Säuremenge berechnet. Das Modell berücksichtigt alle drei Protolysegleichgewichte bei 25 °C; Aktivitäts- und weitere Reaktionseffekte bleiben unberücksichtigt.
Zwischenstufen sind Ampholyte
H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ H₃PO₄ + OH⁻
H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺
H₂PO₄⁻ kann ein Proton aufnehmen oder eines abgeben. Solche Teilchen nennt man Ampholyte. Auch HPO₄²⁻ ist ein Ampholyt. Die Ladung allein verrät deshalb noch nicht, ob ein Teilchen in einer bestimmten Reaktion als Säure oder Base wirkt.
Wie viel Lauge wird für welche Stufe benötigt?
H₃PO₄ + OH⁻ → H₂PO₄⁻ + H₂O
H₃PO₄ + 2 OH⁻ → HPO₄²⁻ + 2 H₂O
H₃PO₄ + 3 OH⁻ → PO₄³⁻ + 3 H₂O
Die erste Gleichung beschreibt die Umsetzung bis zur ersten, die zweite bis zur zweiten und die dritte bis zur dritten Neutralisationsstufe. Es sind Gesamtbilanzen, keine Aussage über eine ausschließlich aus dieser einen Phosphatform bestehende Lösung.
Bei der Titration können mehrere Äquivalenzbereiche auftreten. Ob sie gut getrennt erkennbar sind, hängt von den Säurekonstanten und Konzentrationen ab. Bei Phosphorsäure ist besonders die dritte Stufe in Wasser nicht einfach als scharfer Sprung erfassbar.
Beispiel: bis zur zweiten Neutralisationsstufe
20,0 mL Phosphorsäure mit c = 0,0500 mol/L werden mit NaOH der Konzentration 0,100 mol/L titriert.
n(H₃PO₄) = 0,0200 L × 0,0500 mol/L = 0,00100 mol
Bis Stufe 2: n(OH⁻) = 2 × 0,00100 mol = 0,00200 mol
V(NaOH) =0,00200 mol0,100 mol/L= 0,0200 L = 20,0 mL
Bis Stufe 1 sind rechnerisch 10,0 mL nötig; die formale Bilanz bis Stufe 3 ergibt 30,0 mL. Die Aufgabenstellung muss daher sagen, welcher Endzustand gemeint ist.
Aus „dreiprotonig“ folgt nicht c(H₃O⁺) = 3c₀. Für den pH braucht man die Gleichgewichte. Auch bei Schwefelsäure darf man die zweite Protolyse nicht bei jeder Konzentration ungeprüft als vollständig annehmen.
Selbstcheck: Protolyse, Ampholyte und Laugenverbrauch
1 · Ist CH₃COOH wegen seiner vier H-Atome vierprotonig?
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Welches H gehört zur Carboxylgruppe?
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Nein. In üblichen wässrigen Säure-Base-Reaktionen wird das H der COOH-Gruppe abgegeben; Ethansäure ist einprotonig.
2 · Ergänze die zweite Protolyse der Phosphorsäure.
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Start ist H₂PO₄⁻.
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H₂PO₄⁻ + H₂O ⇌ HPO₄²⁻ + H₃O⁺.
3 · Warum wächst die negative Ladung bei jeder Stufe?
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Wird H⁺ oder ein neutrales H-Atom abgegeben?
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Ein positiv geladenes Proton wird abgegeben; das Bindungselektronenpaar bleibt am Rest. Die Ladung wird um eins negativer.
4 · Welche beiden Formen liegen bei pH 7,20 ungefähr zu gleichen Anteilen vor?
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Vergleiche mit pKₛ₂.
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H₂PO₄⁻ und HPO₄²⁻. Die anderen Formen sind im Modell dort nur in sehr kleinen Anteilen vorhanden.
5 · Warum ist HPO₄²⁻ ein Ampholyt?
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Es besitzt noch ein H und kann ein weiteres aufnehmen.
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Es kann zu PO₄³⁻ ein Proton abgeben oder zu H₂PO₄⁻ eines aufnehmen.
6 · Wie viel OH⁻ braucht man für 0,010 mol H₃PO₄ bis Stufe 2?
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Verhältnis Säure : OH⁻ = 1 : 2.
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0,020 mol OH⁻.
7 · 10,0 mL H₃PO₄ mit 0,100 mol/L: Welche NaOH-Menge mit 0,100 mol/L braucht man bis Stufe 1 und 2?
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Zuerst n(H₃PO₄) = 0,00100 mol.
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Bis Stufe 1: 10,0 mL. Bis Stufe 2 insgesamt: 20,0 mL.
8 · Darf man bei jeder dreiprotonigen Säure den pH aus 3c₀ berechnen?
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Sind alle drei Stufen vollständig?
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Nein. Die Protolysegrade hängen von den einzelnen Säurekonstanten und der Lösung ab. Protonenzahl und Säurestärke sind verschiedene Angaben.
Kurzer Begriffscheck
Welche Aussage über H₂PO₄⁻ stimmt?
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht: Struktur, Ladung und Mengen verbinden
Einstieg: Die drei OH-Gruppen in der Struktur finden.
Partnerarbeit: Stufen auswählen und Ladungen sowie Protonenzahlen begründen.
Sicherung: Verteilung bei pH = pKₛ erklären und Laugenverbrauch für einen vorgegebenen Endzustand berechnen.
Kostenlose Materialien zum Weiterüben
Säurestärke und pKs-Wert – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Ergänzende Grundlage: pKₛ-Werte und Säurestärke sicher unterscheiden.
Kostenlos · PDF · mit Lösungen
Material ansehen und herunterladen
Neutralisation & Titration – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Ergänzende Rechenübungen: Reaktionsverhältnisse und Verbrauchsvolumen.
Kostenlos · PDF · mit Lösungen
Material ansehen und herunterladenVertiefung: OpenStax: Polyprotic Acids.